Что такое SDR? Основные компоненты и принцип работы

Знакомимся с азами работы Software-defined radio (SDR) технологии в радиоприёмных и радиопередающих устройствах

Программно-определяемое радиосистема (SDR) – это современная технология, в которой функции, которые в приёмо-передающей технике традиционно реализуются на аналоговых узлах (таких как, смесители, фильтры, усилители, детекторы и т. д.) осуществляются с помощью компьютера или встроенного цифрового оборудования и программного обеспечения.

Принцип работы простого SDR приёмника (передатчика)

В традиционном супергетеродинном приемнике обработка сигнала осуществляется несколькими аналоговыми электронными узлами. Сначала частота входного сигнала понижается смесителем до некоторой промежуточной частоты (ПЧ), после чего производится его фильтрация, усиление и демодуляция.

В SDR приёмниках основная часть функций реализуется в сигнальном процессоре. На Рис.1 приведена структурная схема SDR-приёмника, поясняющая принцип его работы.

Рис.1 Структурная схема простого SDR-приёмника

Радиочастотный сигнал f_C через диапазонный фильтр поступает на входы двух параллельно соединённых смесителей. Сигнал гетеродина f_LO (синус) подаётся на гетеродинный вход нижнего смесителя, на вход верхнего смесителя подаётся сигнал гетеродина, задержанный на 90° (косинус).
Фильтры нижних частот (LPF) обеспечивают фильтрацию и отсечение побочных каналов приёма перед аналого-цифровым преобразованием, после чего проходит процесс оцифровки в паре АЦП.
В результате у нас образуются два оцифрованных сигнала – верхний канал обеспечивает синфазный I(t) сигнал, а нижний канал обеспечивает квадратурный Q(t) сигнал. Такое разделение необходимо для корректной работы последующего цифрового сигнального процессора (DSP), которому должна быть доступна информация не только об амплитуде входного сигнала, но и его фазе.

Для SDR приёмников, у которых обработка выполняется посредством компьютерной звуковой карты и программного обеспечения, выходы фильтров нижних частот подключаются к левому и правому каналам звуковой карты ПК.
От качества этой карты в значительной степени и зависит работа СДР. Значение ПЧ в программе может быть выставлено почти любым (от единиц до десятков килогерц), но обычно оно выбирается в интервале 9...11 кгц. Это частота, вокруг которой происходит демодуляция сигналов, осуществляется калибровка и балансировка подавления зеркального канала. Перестройка по частоте при таком построении происходит благодаря изменению частоты синтезатора, подаваемой на смеситель СДРа.

В SDR передатчике всё происходит в обратной последовательности (Рис.2).

Рис.2 Структурная схема простого SDR-передатчика

Сигнальный процессор (DSP) разделяет микрофонный сигнал на Q(t) и I(t) составляющие и передаёт их на ЦАП (Рис.2). По большому счёту, DSP процессор (или звуковая карта компьютера) формирует два НЧ сигнала, сдвинутых по отношению друг к другу на 90°. Далее сигналы фильтруются посредством ФНЧ и поступают на два смесителя для повышения частоты до частоты передачи. Так же, как это происходило в приёмнике, на гетеродинный вход нижнего смесителя поступает прямой сигнал синтезатора (sin), на вход верхнего смесителя подаётся сигнал синтезатора, задержанный на 90° (cos). Затем сигнал проходит через усилитель и подается на антенну.

Принцип работы SDR аппаратуры на основе детектора Тейло

Более эффективной схемой преобразователя для SDR приёмника или передатчика является квадратурный сэмплирующий детектор по схеме Тейло (Рис.3).

Рис.3 Структурная схема SDR-приёмника на основе детектора Тейло

Принимаемый сигнал через диапазонный полосовой фильтр (ДПФ) поступает на два смесителя, на которые от ГПД приходят опорные сигналы с относительным сдвигом фаз 90°. Сдвиг фаз между сигналами на выходе смесителей в этом случае также составляет 90° в диапазоне частот 0...20 кГц. Если подать эти сигналы на звуковую карту компьютера, в котором НЧ фазовращатель реализован программно, то можно выделить используемую боковую полосу и подавить нерабочую.

Приемник с фиксированной частотой гетеродина перекрывает участок диапазона, равный частоте дискретизации звуковой карты компьютера. Обычно это 48 кГц, т. е. ±24 кГц от средней частоты.
Большим достоинством данного построения является возможность выполнения всех модулей на основе относительно недорогих и доступных цифровых компонентов (ключей-мультиплексоров и триггеров). Недостатком – повышенные требования к быстродействию микросхем, т. к. триггеры фазовращателя, как правило, работают на частоте, в 4 раза превышающей рабочую.

Структурная схема передатчика SDR-передатчика, основанного на основе детектора Тейло приведена на Рис.4.

Рис.4 Структурная схема SDR-передатчика с детектором Тейло

На следующем рисунке (Рис.5) представлена простая, но вполне рабочая схема всеволнового ДВ-СВ-КВ SDR-радиоприёмника на смесителе Тэйло, выполненная в «классическом» варианте без балансного трансформатора на входе.

Рис.5 Схема простого SDR-приёмника на основе детектора Тейло

Технология SDR аппаратуры с прямой оцифровкой сигнала

С появлением высокоскоростных АЦП и новых поколений процессоров принцип обработки радиосигналов перешёл к следующему этапу своей эволюции – прямой оцифровке сигнала, поступающего с антенны с последующей его обработкой программным методом.
Радиоприёмники с прямой оцифровкой аналогового сигнала имеют аббревиатуру DDC (от Digital Down-Converter). В передающей аппаратуре происходит обратное преобразование из цифры в аналог, а такие устройства получили аббревиатуру DUC (от Digital Up-Converter).

Рис.6 Структурная схема SDR-трансивера с прямой оцифровкой сигнала

В архитектуре DDC мгновенно оцифровывается весь спектр сигналов с частотами от 0 Гц до максимальной частоты работы АЦП. Самые скоростные микросхемы современных АЦП могут работать в полосе до 1 ГГц, но их стоимость пока очень высока. В тоже же время, наиболее ходовые и относительно дешёвые АЦП оцифровывают спектр полосой от 0Гц до 60...100 МГц, что вполне приемлемо для многих радиолюбительских задач.

После оцифровки спектра сигналов в полосе от 0 Гц до 30...50 МГц на выходе АЦП получается огромный цифровой поток данных, который "протолкнуть" в компьютер для дальнейшей обработки не представляется возможным. Потому непосредственно за микросхемой АЦП следует высокоскоростная программируемая логическая микросхема (ПЛИС), в которой реализован алгоритм DDC\DUC и которая способна обрабатывать очень большие потоки информации. По сути говоря, эта микросхема представляет собой цифровой понижающий или повышающий конвертер, который производит выборку спектра необходимой полосы и передачу его в компьютер для обработки. Ведь, по большому счёту, максимальные полосы, которые нам нужны для обработки – это 10...50 кГц для демодуляции АМ, ЧМ сигналов и 3...5 кГц для SSB.
Таким образом создаётся цифровой поток существенно меньшей полосы и скорости, пригодный для программной обработки компьютером.
При этом никто не мешает нам из общего цифрового потока выделить второй, третий, четвёртый и вообще, сколько необходимо малых потоков и передать их в компьютер, создав тем самым одновременно несколько каналов приёма. Таким методом реализуются два, три или более «виртуальных приёмников» во всей полосе оцифровки.